虚拟环境中光影特效动态建模的研究与实现

论文摘要

交互性、构想性和沉浸感是虚拟现实技术的三个基本特征。其中,沉浸感是指用户对虚拟现实的投入程度,它很大程度上影响了用户的虚拟体验,该特性的实现程度是虚拟现实技术优劣的重要指标。虚拟环境是虚拟现实技术的一个比较核心的研究内容,其真实性是决定用户能否沉浸其中的重要因素。光影特效作为现实生活中最司空见惯的动态景象,其存在与否直接影响到虚拟环境的真实程度,但是由于其实时性,非物质性等特点,在虚拟环境中,只能通过动态建模来实现,这也是本文的主要工作内容本文对比较常见的几种光影现象包括倒影,高光,球体折射,阴影等进行了深入的分析研究,在此基础上利用OpenGL三维图形开发包动态建模实现。本文首先对OpenGL本身的工作流程,以及几何变换,光照模型及片断测试等特性进行了深入的剖析理解,这是实现后面光影特效建模的工具基础。随后,本文对要实现的各种光影现象的各种特性等进行了详尽的分析研究,在此基础上选取适当的实现手段,进行编程实现。其中,倒影的实现用到了相应的矩阵变换以及OpenGL本身的模板测试,混合等技术,高光的实现主要是对OpenGL本身提供的光照功能的综合应用,球体的折射效果是一种模拟实现,用到了OpenGL拷贝纹理和自动纹理映射等技术,然后,用两种算法：平面投影和阴影体为指导,完成了动态阴影的实现。本文最后,利用MFC窗口开发工具作为OpenGL的渲染窗口环境,实现了一个综合的虚拟环境系统,来展示各种光影特效的最终效果。在该综合环境系统中,加入了静态模型导入,天空穹,操作器及模型选择等模型,使整个虚拟环境系统更加完整。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 虚拟现实特点
• 1.1.2 虚拟环境的研究与发展
• 1.2 虚拟环境及其真实感
• 1.3 光影特效的动态建模
• 1.4 课题的研究意义
• 1.5 本文的主要工作
• 第2章 实现光影特效的OpenGL基础
• 2.1 OpenGL概述
• 2.2 OpenGL的工作流程
• 2.2.1 几何顶点处理阶段
• 2.2.2 图元处理阶段
• 2.2.3 片元处理阶段
• 2.2.4 象素处理阶段
• 2.3 OpenGL的几何转换
• 2.3.1 视图与模型变换
• 2.3.2 投影变换
• 2.3.3 视口变换
• 2.4 OpenGL中的光照
• 2.5 OpenGL中的片断测试技术
• 2.5.1 剪裁测试
• 2.5.2 Alpha测试
• 2.5.3 模板测试
• 2.5.4 深度测试
• 2.6 本章小结
• 第3章 光影特效的动态建模实现
• 3.1 光影特效概述
• 3.2 倒影效果的实现
• 3.2.1 反射及倒影分析
• 3.2.2 倒影坐标的计算
• 3.2.3 倒影成像位置
• 3.2.4 倒影清晰度
• 3.3 高光特效的实现
• 3.3.1 高光现象分析
• 3.3.2 实现高光特效时OpenGL光照模型设定
• 3.3.3 影响高光效果因素
• 3.4 球体折射效果实现
• 3.4.1 折射现象分析
• 3.4.2 折射效果的实现技术分析
• 3.4.3 拷贝场景纹理
• 3.4.4 拷贝纹理的映射
• 3.5 阴影效果实现
• 3.5.1 阴影现象分析
• 3.5.2 平面投射阴影算法分析
• 3.5.3 阴影体算法分析
• 3.5.4 确定阴影体外轮廓
• 3.5.5 阴影的绘制位置
• 3.6 本章小结
• 第4章 虚拟环境综合系统实现
• 4.1 基于MFC实现的虚拟环境窗口渲染
• 4.1.1 MFC概述
• 4.1.2 MFC中实现OpenGL渲染
• 4.2 光影特效基础环境实现
• 4.2.1 静态模型的导入
• 4.2.2 天空穹的实现
• 4.3 虚拟环境交互控制
• 4.3.1 操作器实现
• 4.3.2 模型选择功能实现
• 4.4 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表